近年來(lái)，國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，芯片供應(yīng)鏈安全問(wèn)題凸顯。MCU（微控制器）作為工業(yè)控制、汽車(chē)電子、航天設(shè)備的"大腦"，其自主可控已成為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的重中之重。傳統(tǒng)ARM架構(gòu)雖成熟可靠，但授權(quán)模式和技術(shù)壁壘限制了我們的自主權(quán)。RISC-V開(kāi)源架構(gòu)的出現(xiàn)，為國(guó)產(chǎn)MCU開(kāi)辟了一條新賽道。本文將探討從ARM轉(zhuǎn)向RISC-V的技術(shù)路徑、實(shí)際挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景。

一、為什么需要替代ARM架構(gòu)？

ARM架構(gòu)的瓶頸主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：首先是技術(shù)不可控，ARM的IP核是"黑盒子"，我們無(wú)法深度定制，也難以針對(duì)特殊場(chǎng)景優(yōu)化；其次是經(jīng)濟(jì)成本高，授權(quán)費(fèi)加版稅削弱了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力；最致命的是戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)，地緣政治可能導(dǎo)致授權(quán)中斷，影響長(zhǎng)周期產(chǎn)品的供應(yīng)鏈安全。

在汽車(chē)、航天等領(lǐng)域，這個(gè)問(wèn)題尤為突出。一輛汽車(chē)的生命周期長(zhǎng)達(dá)15年，如果核心芯片斷供，維修和備件都會(huì)成問(wèn)題。航天器更是要求芯片抗輻射、高可靠，而ARM并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的宇航級(jí)產(chǎn)品。RISC-V的開(kāi)源特性恰好解決了這些痛點(diǎn)——它允許我們完全掌握技術(shù)，按需定制，不受外部制約。

二、RISC-V的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在哪里？

RISC-V是加州大學(xué)伯克利分校發(fā)起的開(kāi)源指令集架構(gòu)，采用BSD許可證，任何人都可以免費(fèi)使用、修改甚至閉源商用。它的核心優(yōu)勢(shì)是模塊化設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)指令集只有47條，簡(jiǎn)單到可以完整驗(yàn)證；其他功能如乘除法、浮點(diǎn)運(yùn)算、原子操作都是可選擴(kuò)展。這種"搭積木"的方式讓芯片設(shè)計(jì)更靈活，也更容易保證功能安全。

以國(guó)科安芯推出的MCU芯片AS32A601為例，它基于RISC-V架構(gòu)，集成了浮點(diǎn)單元和16KB指令/數(shù)據(jù)緩存，主頻達(dá)到180MHz。更重要的是，它專(zhuān)門(mén)針對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境做了優(yōu)化：存儲(chǔ)器帶ECC糾錯(cuò)，時(shí)鐘系統(tǒng)有多重監(jiān)控，還通過(guò)了ISO 26262 ASIL-B汽車(chē)功能安全認(rèn)證。商業(yè)航天版本更是能抵御75MeV·cm2/mg的輻射沖擊，總劑量耐受超過(guò)150krad(Si)。這些特性證明RISC-V完全可以在高端領(lǐng)域替代ARM。

在接口方面，這類(lèi)芯片通常集成6路SPI、4路CAN-FD、以太網(wǎng)和多種定時(shí)器，滿(mǎn)足工業(yè)和汽車(chē)的多樣化需求。相比同級(jí)別的ARM芯片，RISC-V產(chǎn)品在頂層設(shè)計(jì)上可以更有針對(duì)性，去掉不需要的功能，降低功耗和成本。

三、從ARM遷移到RISC-V要過(guò)哪些坎？

雖然RISC-V前景光明，但實(shí)際遷移過(guò)程面臨四大挑戰(zhàn)：

。ARM花了20年建立起完整的開(kāi)發(fā)工具鏈、操作系統(tǒng)支持和第三方庫(kù)生態(tài)。RISC-V目前主要依賴(lài)開(kāi)源工具鏈（GCC、OpenOCD），雖然功能齊全，但易用性遠(yuǎn)不如Keil、IAR等商業(yè)IDE。開(kāi)發(fā)者需要手動(dòng)配置啟動(dòng)文件、鏈接腳本，門(mén)檻較高。中間件方面，RISC-V缺乏像CMSIS-DSP那樣經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期優(yōu)化的算法庫(kù)，很多功能需要從零開(kāi)發(fā)。

第二大挑戰(zhàn)是性能與功耗優(yōu)化 。雖然RISC-V架構(gòu)簡(jiǎn)潔，但編譯器優(yōu)化還不夠成熟。實(shí)測(cè)表明，在相同主頻下，RISC-V MCU的基準(zhǔn)測(cè)試成績(jī)比ARM低10-15%。在功耗方面，從深度睡眠喚醒需要443微秒，而ARM芯片可以做到100微秒以?xún)?nèi)。這主要是因?yàn)镽ISC-V缺乏專(zhuān)用的低功耗喚醒硬件，恢復(fù)過(guò)程依賴(lài)軟件參與。

第三大挑戰(zhàn)是功能安全認(rèn)證 。ISO 26262等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MCU的故障診斷、響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。ARM提供完整的Safety Package，包括失效分析、診斷覆蓋率數(shù)據(jù)，大大簡(jiǎn)化了認(rèn)證流程。RISC-V廠(chǎng)商需要獨(dú)立完成所有這些工作，認(rèn)證周期長(zhǎng)、成本高。而且RISC-V配置靈活，每家實(shí)現(xiàn)都不同，難以形成標(biāo)準(zhǔn)化的認(rèn)證模板。

第四大挑戰(zhàn)是供應(yīng)鏈和市場(chǎng)慣性 。從ARM切換到RISC-V，工程師需要重新學(xué)習(xí)指令集、中斷控制器、內(nèi)存模型等底層知識(shí)，企業(yè)也擔(dān)心代碼遷移的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

四、應(yīng)用分析

盡管挑戰(zhàn)重重，RISC-V MCU已經(jīng)開(kāi)始在多個(gè)領(lǐng)域落地。

汽車(chē)BCM應(yīng)用 ：車(chē)身控制模塊需要管理車(chē)窗、門(mén)鎖、燈光等。車(chē)身控制MCU AS32A601基于雙核鎖步RISC-V架構(gòu)，擺脫ARM架構(gòu)受限，應(yīng)用于雨刷、座椅、車(chē)窗、后視鏡等車(chē)身控制，助力高安全車(chē)規(guī)MCU芯片深度國(guó)產(chǎn)化。汽車(chē)MCU芯片以及CANFD通信芯片ASM1042A、DCDC電源芯片ASP3605A全系列芯片基于軟錯(cuò)誤防護(hù)技術(shù)，從工藝級(jí)保障車(chē)規(guī)芯片安全。

工業(yè)機(jī)器人控制 ：國(guó)科安芯推出微型機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)控一體化芯片MCU AS32I601、DCDC電源芯片ASP3605I和ASP4644I、CANFD通信接口芯片ASM1042I，應(yīng)用于人形機(jī)器人、伺服機(jī)器人、物流機(jī)器人等關(guān)節(jié)控制，提供高可靠自主可控機(jī)器人關(guān)節(jié)控制芯片方案。

商業(yè)航天應(yīng)用 ：面向商業(yè)航天中配置管理、啟動(dòng)、通信、電源供電等關(guān)鍵高安全需求模塊，提供抗輻照MCU AS32S601、抗輻照DCDC電源ASP4644S和ASP3605S、抗輻照CANFD芯片ASM1042S等低成本自主可控系列芯片，助力商業(yè)航天企業(yè)實(shí)現(xiàn)抗輻照、高安全、低成本國(guó)產(chǎn)解決方案。

五、如何推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化替代？

要實(shí)現(xiàn)從ARM到RISC-V的順利過(guò)渡，需要多方協(xié)作，制定清晰的路線(xiàn)圖。

政策層面 ，建議設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金支持高安全等級(jí)產(chǎn)品研發(fā)，提供首臺(tái)套保險(xiǎn)降低用戶(hù)風(fēng)險(xiǎn)。建立國(guó)家級(jí)的RISC-V兼容性測(cè)試平臺(tái)，統(tǒng)一硬件抽象層接口標(biāo)準(zhǔn)，形成"RISC-V Ready"認(rèn)證。在汽車(chē)、工業(yè)等重點(diǎn)領(lǐng)域，可以設(shè)定明確的國(guó)產(chǎn)化替代時(shí)間表，從非關(guān)鍵部件逐步向核心部件延伸。

產(chǎn)學(xué)研協(xié)同 ，高校應(yīng)加強(qiáng)RISC-V體系結(jié)構(gòu)教學(xué)，培養(yǎng)底層優(yōu)化人才；企業(yè)開(kāi)放非核心IP，共建開(kāi)源社區(qū)，共享驅(qū)動(dòng)和RTOS適配層，避免重復(fù)造輪子。針對(duì)編譯優(yōu)化、確定性執(zhí)行、超低功耗等共性難題，組織聯(lián)合攻關(guān)。

認(rèn)證體系建設(shè) ，推動(dòng)制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立第三方功能安全認(rèn)證中心，提供一站式認(rèn)證服務(wù)，將周期縮短到12個(gè)月以?xún)?nèi)。同時(shí)強(qiáng)化供應(yīng)鏈審核，建立白名單制度，確保全鏈條自主可控。

六、未來(lái)展望

RISC-V為我國(guó)MCU產(chǎn)業(yè)自主可控提供了歷史性機(jī)遇。從AS32A601等產(chǎn)品的實(shí)踐看，RISC-V在性能、可靠性上已能替代ARM中端產(chǎn)品，但在生態(tài)系統(tǒng)、工具鏈、認(rèn)證體系等方面仍有差距。短期看，RISC-V不應(yīng)追求全面替代，而應(yīng)深耕細(xì)分市場(chǎng)，在新能源汽車(chē)、機(jī)器人、商業(yè)航天等領(lǐng)域建立不可替代性。

技術(shù)演進(jìn)上，重點(diǎn)突破編譯優(yōu)化、確定性執(zhí)行、超低功耗設(shè)計(jì)。市場(chǎng)滲透上，需警惕"技術(shù)冒進(jìn)"，腳踏實(shí)地做好質(zhì)量一致性、長(zhǎng)期供貨和技術(shù)支持。

從ARM到RISC-V的遷移不僅是技術(shù)換代，更是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的重構(gòu)。只有堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新與生態(tài)協(xié)同雙輪驅(qū)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)從"可用"到"好用"、從"替代"到"引領(lǐng)"的跨越。

審核編輯 黃宇